Génszabályozási hálózatokat térképeznek Szegeden a fenntarthatóbb biotechnológiáért

A FUNCODE (Fungal comparative ENCODE Project) projekt, mely egy különleges pályázati felhívás egyik sikeres indulója,

a biotechnológiai szempontból legfontosabb gombák teljes génszabályozási hálózatainak feltérképezését célozta meg.

A projekt újgenerációs szekvenálási és rendszerbiológiai technológiákra épít, és a következő kérdésekre keresi választ:

• Milyen genetikai hálózatok teszik lehetővé a gombák számára, hogy minden más élőlénynél hatékonyabban bontsanak le bizonyos növényi anyagokat, elsősorban a lignocellulózt? (Ami nem mellékesen a bioüzemanyag-ipar legfontosabb szereplői közé emeli őket.)
• Evolúciósan honnan ered a gombák soksejtűsége?

Mind a gombák lignocellulóz-bontó képessége, mind soksejtű növekedésük fontos biotechnológiai vonatkozásokkal bíró tulajdonság. A gombák például az egyedüli szervezetek amik hatékonyan képesek lebontani növényi anyagok minden ellenálló komponensét, a cellulózt, pektint, hemicellulózt és lignint. Ez nagy szerephez juttatja őket a biotechnológia minden olyan területén ahol növényi anyagok (pl. faanyag) részleges lebontásán keresztül vezet az út különböző termékekig – így a bioüzemanyag ipari előállításában vagy különböző fermentációs eljárásokban.

Gombatenyészet egy Petri-csészében az MTA Szegedi Biológiai Központ Lendület Gomba Genomika és Evolúció kutatócsoport laborjában Forrás: mta.hu/Szigeti Tamás

A gombák ugyanakkor többféle soksejtű komplexitási szintet értek el az evolúció során, ami egyrészről kiváló modellekké teszi őket a soksejtűség evolúciójának kutatásában, ugyanakkor szintén rendelkezik biotechnológiai potenciállal. A gombák termőtestei, amelyeket legtöbben az erdei kirándulásokról vagy a bevásárlóközpontok polcairól ismerhetünk fenntartható és egészséges táplálékforrást jelentenek, amelyek számos kedvező élettani hatással bírnak. A termőtestképzés mögött meghúzódó gének és azok kifejeződését szabályozó törvényszerűségek megismerése pedig

megnyithatja az utat a gombatermesztés hatékonyságának növeléséhez és kedvező tulajdonságokkal rendelkező, de ezidáig termesztésbe nem vont fajok termesztéséhez.

A FUNCODE projekt modellszervezeteit a kutatók úgy válogatták össze, hogy mind a lignocellulóz-lebontás mind a soksejtűség genetikai hátterének feltárásához hozzájáruljanak. A modellfajok között van például a Coprinopsis cinerea, amely a komplex soksejtűség egyik legfontosabb modellje, de megtalálható köztük a kérődző emlősök bendőjében élő, ott anaerob cellulózbontást végző Anaeromyces is, amely ezen képessége miatt szintén a bioüzemanyag-ipar kiszemelt modellszervezete.

Nemzetközi összefogással a génszabályozási hálózatok nyomában

A FUNCODE projekt e területek vezető kutatócsoportjait fogja konzorciumba amelyet kiegészítenek a Joint Genome Institute genomikai kapacitásai. A gomba-biotechnológiának már ma is számos eredményét használják az iparban sikerrel. Így például számos nagy hatékonyságú lignocellulóz-bontó enzim ismert, azonban továbbra is kérdés, hogyan lehet még jobb ipari tulajdonságokkal rendelkező törzseket előállítani? Itt kerülnek a középpontba a FUNCODE fő célpontjai, a génszabályozási hálózatok.

A biológiai folyamatok genetikai háttere többnyire nagyon összetett, általában számos gén, köztük strukturális és "végrehajtó" fehérjéket kódoló gének (például egy lebontó aktivitással rendelkező enzim), valamint szabályozó gének szükségesek. Ezek a gének génszabályozási hálózatokba rendeződnek, ahol minden gén potenciálisan visszahat a hálózat többi tagjára. Ez biztosítja, hogy a sejteken belül mindig a szükséges és megfelelő mennyiségben legyenek jelen a biológiai folyamatokhoz szükséges fehérjék. A génszabályozási hálózatokban kitüntetett szerepe van a szabályozó géneknek, amelyek leggyakrabban transzkripciós faktorokat kódolnak – olyan fehérjéket, amelyek különböző gének transzkripcióját (kifejeződését) szabályozzák.

A biológia egyik kedvenc kísérleti alanya, az E. coli baktérium transzkripciós szabályozási hálózata. A piros pontok géneket jelölnek, a köztük húzódó élek pedig szabályozási kapcsolatokat. Forrás: Nature Education - CC-BY-NC

A transzkripciós faktorok ezáltal a biológiai folyamatok "karmesterei", amelyek megmondják, mikor melyik gén milyen mértékben fejeződjön ki. Ebből könnyű belátni, hogy a biológiai folyamatok megértése szempontjából az egyik legfontosabb feladat annak feltárása, hogy mely transzkripciós faktorok mely géneket szabályozzák.

A FUNCODE projekt célja, hogy a választott 5 gombafaj genomjában kódolt összes transzkripciós faktor esetében feltárja az azok által szabályozott géneket, ezáltal rekonstruálni lehessen e gombák teljes génszabályozási hálózatait. Az ezt célzó technikák már régóta elérhetőek a biológusok számára, azonban kapacitásuk korábban igencsak korlátozott volt. Az legújabb fejlesztéseknek köszönhetően azonban ma már lehetséges az 5 FUNCODE-gombafaj genomjában kódolt körülbelül 2000 transzkripciós faktor mindegyikét egyetlen projekt keretein belül vizsgálni.

A projekt során a kutatók a transzkripciós faktorokhoz tartozó géneket vizsgálják a génkifejeződés minden lehetséges feltétel melletti mérésével. Így lehetnek képesek rekonstruálni a génszabályozási hálózatokat. Ezek ismerete pedig minden bizonnyal nagyban előrelendítik majd az 5 FUNCODE-gombafaj lignocellulóz-bontó képességének kutatását és soksejtűségük alapjainak megismerését, ami végeredményben a gyakorlatban is alkalmazható eredményeket adhat a biotechnológiai ipar számára.